CMOS自归零电路
阅读：683发布：2020-05-20
专利汇可以提供CMOS自归零电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 专利 公开了一种CMOS自归零 电路 ，包括一个0.5PF的自归零电容、一个1PF的积分电容和两个降低电荷注入效应的NMOS管。当自归零 开关 S1和S2为高电平时，电路处于 复位期 间，将 放大器 失调 电压 和噪声电压存储在自归零电容上，S1-为控制补偿管开关，减小S1开关的电荷注入效应。放大器采用差分输入的一级折叠共源共栅结构，克服了传统的二级放大器使用的米勒补偿电容在低温77K下容易引起振荡的缺点；该自归零电路在常温和低温77K之间都能正常工作，噪声比传统的电路低，可应用于非均匀性较大的中波线列红外HgCdTe探测器 信号 的读出。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明专利，下面是CMOS自归零电路专利的具体信息内容。
CMOS自归零电路
技术领域
背景技术
[0002] 中波HgCdTe红外探测器由于其独特的优势，在国防和航天领域方面有着极其重要的用途，但它一般在高背景下工作，会产生很大的背景电流；同时，中波HgCdTe红外器件本身的暗电流也比较大，且存在比较大的非均匀性，信号读出时极易出现各元的信号高低不平，部分信号无法读出。另外，信噪比也是红外探测器组件的关键参数，良好的信噪比是获得更高清晰度红外图像的基础，为满足国内航天工程的应用需求，要求在CMOS电路设计的同时考虑非均匀性自归零校正，目前，国内未曾报道过针对中波HgCdTe红外探测器的 CMOS自归零电路。国外文献也未公开报道关于中波HgCdTe红外探测器低温 CMOS自归零具体电路结构方面的文章。
[0003] 由于在探测器读出电路中放大器输入端存在电压失调，会产生一定的暗电流，经过积分后也会产生较大的暗电流电压。不同探测器之间的暗电流并非均匀一致，这也大大降低了系统的动态范围。对于探测器暗电流的非均匀性，一方面可以在制作探测器的工艺上进行研究，但限于国内的工艺条件限制，非均匀性问题不能在工艺上完全解决，所以只能在读出电路上做进一步的研究。国内外已有相关文献报道在读出电路中增加电流抑制结构，虽然可以整体减小暗电流大小，但无法解决不同探测元暗电流的非均匀性问题。采用自归零的方法能有效解决这一问题。自归零方法是在无光照时采集各元的暗电流信号储存在相应的采样电容上，在有光照时利用新采集的信号和暗信号互减来读出真正的红外信号，需要利用读出电路的输入级失调电压反馈补偿，消除光敏元两端的偏压，使光敏元尽量工作在零偏置，抑制暗电流。发明内容
[0004] 本专利采用自归零结构能有效地降低暗电流导致的固定图像噪声和1/f噪声，提高读出信噪比，增大动态范围。
[0005] 该自归零结构(图1和图2)，包括一个0.5pF的自归零电容Caz和一个 1pF的积分电容Cint，NM16和NM17为消除电荷注入效应的两个NMOS管，其宽长比设计为0.6μm/1μm。S1和S2为自归零开关。当S1和S2为高电平时，电路处于复位期间，能把放大器失调电压和噪声电压存储在自归零电容 Caz上，S1-控制的管子为补偿管，能减小S1开关的电荷注入效应。reset为复位积分开关，reset为低电平时为复位阶段，reset为高电平时为电路积分阶段。
[0006] 低温差分放大器模块(图3)采用差分输入的折叠共源共栅结构的放大电路，M5、M6、M13、M17构成差分输入的共源共栅结构，M16、M18为差分输出的有源负载，M7、M14给共源共栅提供电流源,bias1、bias2、bias3为偏置电压端口，In-、In+为差分运算放大器的正负输入端。其中差分输入对管M5、M6，采用叉指晶体管，尽量保证上下和左右对称，且在输入对管的外面使用保护环 (图4)；
[0007] 其特征在于：CMOS低温自归零电路，包括一个0.5pF的自归零电容和一个1pF的积分电容，还包含两个为消除电荷注入效应的NMOS管。当自归零开关S1和S2为高电平时，电路处于复位期间，能把放大器失调电压和噪声电压存储在自归零电容上，S1-为控制补偿管开关，能减小S1开关的电荷注入效应。放大器采用差分输入的一级折叠共源共栅结构，克服了传统的二级放大使用的米勒补偿电容在低温77K下容易引起振荡的缺点；该自归零读出在常温和低温77K之间都能正常工作，噪声比传统的读出电路低，可应用于非均匀性较大的中波线列红外HgCdTe探测器信号的读出。
[0008] 本专利的优点如下：
[0009] 1.该CMOS低温自归零结构能有效消除不同像元之间暗电流的非均匀性，增加了读出电路的动态范围。
[0010] 2.该CMOS低温差分放大器使用了共源共栅结构，电源电压抑制比较高，减小了电源纹波引入的噪声。
[0011] 3.该CMOS低温自归零电路从常温300K到低温77K都能正常工作，不仅可应用于中波线列红外HgCdTe探测器的信号读出，还可以作为其它低温内阻为兆级的探测器信号的读出。
[0013] 图1为CMOS自归零结构示意图。
[0014] 图2为CMOS低温自归零具体结构图。
[0015] 图3为CMOS放大器电路结构图。
[0016] 图4为CMOS输入对管的对称版图。
[0017] 图5为CMOS低温自归零工作时序图。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图对本专利的具体实施方式作进一步的详细说明：
[0019] 实施例1
[0020] 图1为CMOS自归零结构示意图，该电路的工作分为两个阶段：首先是采样阶段(S1关闭，S2打开)，此时，放大器的输出和输入负端短路，于是输入失调电压被储存在电容Caz上。其次是放大阶段(S2关闭，S1打开)，经过采样的失调电压被减去，从而得到无失调电压影响的电压输出。自归零电路结构保证了输出电压out在积分初始阶段的电压始终为同一电压值，消除了失调电压的影响，降低了固定图像噪声以及1/f噪声影响。
[0022] 实施例2
[0023] 自归零具体结构(图2)，包括一个0.5pF的自归零电容Caz和一个1pF 的积分电容Cint，NM16和NM17为消除电荷注入效应的两个NMOS管，其宽长比设计为0.6μm/1μm。S1和S2为自归零开关。
[0024] 当S1和S2为高电平时，电路处于复位阶段，能把放大器失调电压和噪声电压存储在自归零电容Caz上，自归零补偿开关S1－能减小S1开关的电荷注入效应。reset为复位积分开关，reset低电平时为复位阶段，reset高电平时为积分阶段。为消除电荷注入效应，NM16和NM17的宽长比都设计为0.6μm/1 μm。其它9个管子M0、M5、M6、M7、M13、M14、M16、M17、M18构成差分低温放大器。
[0025] 部分的管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。
[0026]
[0027] 实施例3
[0028] 此差分输入电路(图3)总的噪声主要由输入管M5、M6管决定,其等效输入噪声电压计算公式为:
[0029] (其中 )
[0030] 第一项为沟道热噪声,第二项为1/f噪声。
[0031] gm为输入管的跨导，为减小总噪声，输入管W/L的大小及偏置电流的设计非常重要。从以上公式可知增大gm可以减小沟道热噪声，在面积许可的条件下，增大输入管的W/L，且在输入对管的外面使用了保护环，有利于减少输入对管的失调及外界串扰进来噪声。PMOS比NMOS的1/f噪声小，所以输入管M5、 M6选PMOS减小了1/f噪声。另外增大W×L也可以减小1/f噪声,在功耗和面积许可的条件下,其他管子也尽可能考虑低噪声标准来设计。当温度降低时电流加大以及域值电压VT增加可能会使器件无法工作，所以在设计每个管子的 W/L时要充分考虑。
[0032] 该低温放大器采用差分输入的一级折叠共源共栅结构。其中M5和M6是输入对管，M5、M6、M13、M17构成差分输入的共源共栅结构，M16、M18为差分输出的有源负载，M7、M14给共源共栅提供电流源,bias1、bias2、bias3为偏置电压，In-、In+为差分运算放大器的正负输入端。在电路中没有使用对温度特别敏感的无源电阻，所以该电路在常温和低温下都能正常工作，测试结果显示该电流源温度抑制能力很强，所以低温CMOS自归零电路芯片工作温度范围很宽，从常温300K到低温77K都能正常工作。
[0033] 该低温CMOS自归零电路采用的是差分输入的一级折叠式共源共栅结构，没有使用米勒补偿电路，该结构克服了常规两级放大器在低温下容易引起振荡的缺点。
[0034] 实施例4
[0035] 在画放大器版图时，所有的对管都采用叉指晶体管，尽量保证上下和左右对称，这样可以减小CMOS差分运算放大器在低温下的输入端失调，特别是差分放大器的输入管，尤为重要，在本电路中，由于差分输入对管采用了 1500μm/1.5μm的大管子，为了实现上下和左右对称，在画版图时用72个 41.7μm/1.5μm的管子组成输入对管，如图4所示，这在很大程度上减小了整个差分运算放大器的输入失调，测试结果表明该低温低噪声CMOS差分运算放大器的输入失调电压很小，小于1mV。
[0036] 实施例5
[0037] 图5为CMOS低温自归零工作时序图，在驱动时序图中，开关S1较S2早关断2μs，能适当的减小开关的沟道电荷注入而影响输出信号的均匀性。为避免竞争冒险，Vin的高电平脉冲需包含一个时钟的上升沿。我们对该电路进行了初步仿真，当放大器的失调电压增加到200mV时，电路仍然能正常工作，能达到自归零效果。在差分放大器中，采用PMOS输入管减小阈值损失来增加输出信号摆幅，PMOS具有较低的闪烁噪声，另外利用REF端接地减小从输入 ref端引入的前端噪声，有效地提高系统的信噪比。
[0038] 该CMOS低温自归零电路可应用于中波线列红外HgCdTe探测器的信号，还可以作为其它低温内阻为兆级的探测器信号的读出。
[0039] 由于该低温CMOS自归零电路采用了折叠共源共栅结构，工作电压范围较大，在±2.5伏和±1.2伏之间都能正常工作，但需考虑工作电压的不同导致了单元功耗的不同。
[0040] 以上通过具体的实施例对本专利进行了说明，但本专利并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本专利做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本专利的精神，都应在本专利的保护范围之内。
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